鑽石不只為愛而閃耀,也照亮量子革命之路

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鑽石可不只在人類社會中被賦予了多種涵義,奈米鑽石亦在科學領域中點燃了量子革命的火花。量子電腦利用量子位元的疊加態,能同時探索所有可能的路徑,大幅提高運算的速度,而量子傳輸則提供了絕對安全的通訊系統。然而,量子系統易受到干擾,需保持在低溫環境下運作,因此運行成本非常高昂。此時,奈米鑽石所具有的特性成為了突破困境的曙光。奈米鑽石因為保有鑽石的高穩定性,因此若以其作為量子系統的替代材料,便可以讓系統能夠在室溫下操作,再加上NV缺陷中未成對的電子可以呈現自旋和糾纏的量子特性,使得奈米鑽石成為量子科技發展的關鍵材料。

撰文|黃鼎鈞

鑽石是由碳原子以特殊晶格結構組成的物質,具有高折射率,可以閃爍出光芒|來源:Microsoft Bing

「鑽石恆久遠,一顆永流傳」是臺灣的每個人都相當熟悉的廣告詞。因為鑽石具有極高的硬度,在自然界幾乎不會被其他材料刮傷,再加上具有卓越的抗腐蝕性,使得鑽石能夠在各種環境下保持穩定性。當然,由於其昂貴的價格,也有人戲稱這廣告詞應改為「鑽石恆久遠,一顆就破產」。

鑽石之所以如此耀眼,主要是由於其具有高折射率和強烈的散射光學特性。白光當中包含了所有可見光的顏色,當光進入介質後,不同顏色的光會以不同的速度傳播,並以不同的的角度折射出去。鑽石的折射率較高,意味著光在其內部傳播速度較慢,且不同顏色的光會更加離散,因此鑽石能呈現出一閃一閃的彩虹色澤,極具吸引力,成為許多人的定情之物。

當人們用鑽石來象徵對愛情的堅定、表達永恆的承諾與感情時,奈米鑽石(通常指的是其尺寸小於100奈米的鑽石)同樣以其微小的存在於科學領域點燃了人類對量子革命的無窮渴望。接著,讓我們來瞭解所謂的量子革命將為科技帶來什麼突破,並瞭解奈米鑽石在革命當中所扮演的角色。

 

科技發展中的量子革命:量子電腦

量子電腦是這一波量子革命中最具代表性的新興科技,它運用了量子疊加態的特性,允許量子位元 (qubit) 同時處於多種狀態,而不僅僅是傳統電腦的0和1兩種狀態。若我們以迷宮來代表電腦要處理的問題,在傳統的計算中,處理迷宮問題需要依次探索每個可能的路徑,直到找到出口為止,因此隨著迷宮規模的增加,計算所需花費的時間會呈指數級增長;而量子電腦則可以憑藉疊加態來同時探索每個可能的路徑,並在一次計算中便找到迷宮的出口。兩者在運算的速度上差距甚大,若將現今最好的二進位位元電腦需要花費一萬年才能處理的問題丟給量子電腦處理,則僅需要200秒鐘即可完成。

除此之外,量子電腦還可以利用最具神祕性的量子糾纏 (quantum entanglement) 來進行訊息的傳遞,當兩個量子系統處於糾纏狀態時,無論它們之間的距離有多遙遠,皆可以進行訊息傳遞,不受時空的限制。事實上,我們將這種傳遞描述為兩者的訊息「同步」可能更加準確。更令人驚奇的是,量子系統的狀態會受到觀察者的影響,當有第三方介入系統時,量子的狀態就會發生改變,如此一來,也確保了量子傳輸是絕對安全的通訊系統。

傳統電腦是以bit來進行運算,每一bit可能是0或1;量子電腦則是以qubit來處理資訊,每一qubit都是0與1的疊加態。且量子電腦同時可以依賴量子糾纏的特性進行即時且安全的訊息傳遞|來源:作者提供

然而,量子系統狀態易受干擾的特性亦是把雙面刃,因為它不僅會受到外部因素的干擾,就連材料本身所產生的熱擾動也會影響其狀態。以2022年的IBM量子電腦為例,其系統是以超導材料作為基礎,為了盡可能減少這些干擾,它需要在非常低的溫度下運作——目前可達25毫絕對溫度 (25 millikelvin) 左右,接近絕對零度——才能夠提高量子計算的精度和可靠性。然而,要將系統運作環境維持在這樣的極低溫中是非常昂貴的,需要花費高昂的成本和維護費用,因此其商業量產可行性仍然面臨一些挑戰。然而,當專家們深陷在這項困境的黑暗中時,奈米鑽石所閃耀出的光芒吸引了科學家的目光,因為鑽石具有的高穩定性,就是取代低溫量子系統的關鍵材料。

 

奈米鑽石的缺陷,成溫室量子電腦的解方

購買鑽石時,我們都期望它是毫無缺陷的,然而科學家們卻希望奈米鑽石具有特定的缺陷,因為這些缺陷正是讓我們能成功打造室溫量子電腦的核心要素之一。

在奈米鑽石形成過程中,碳原子會按照鑽石的晶格進行排列,但某些位置可能會被氮原子 (Nitrogen, N) 所取代,或是因為缺少應有的碳原子而形成所謂的空缺 (vacancy, V)。當這兩個缺陷結合在一起時,就稱為NV缺陷。這樣的NV缺陷會造成一個電子未被配對,使得它能夠獨立地展現電子的自旋特性。自旋具有兩種可能的狀態:上旋 (spin-up) 和下旋 (spin-down),我們可以透過外部磁場或微波輻射來調整電子的自旋狀態。奈米鑽石具有的此種特殊結構使得我們能夠在室溫下操作電子的自旋狀態,再加上奈米鑽石具有良好的導熱性和化學穩定性,有助於保持NV缺陷中電子的穩定性,即使在高溫環境下仍可進行操作。此外,各個不同NV缺陷中的電子亦可以產生糾纏狀態,當我們改變其中一個NV缺陷的狀態時,這種變化將同步影響其他NV缺陷的狀態,這種特性便可以應用於量子通訊領域。

奈米鑽石中的氮空位 (NV) 缺陷示意圖,藍色原子代表碳原子,紅色原子代表取代碳原子的氮原子,黃色原子代表晶格中的缺陷位置|來源:Wikimedia Commons

 

然而,目前科學家尚在努力克服的主要挑戰是,如何精確控制鑽石內部缺陷的數量?這需要我們在鑽研奈米鑽石的製備方面繼續努力,方能取得突破。

 

鑽石擁自旋,量子相糾纏

在過去的二十年裡,電腦和網路的出現帶給了人類前所未有的生活變革,而現在,我們正站在量子革命的門檻上,即將進入一個截然不同的量子科技時代,這個時代將帶來前所未有的創新和突破。或許在不久後的將來,「鑽石恆久遠,一顆永流傳」這句話將會被改寫為「鑽石擁自旋,量子相糾纏」,鑽石不再只是象徵美麗和永恆的存在,還能成為量子科技的重要基石。

 


參考文獻

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  3. IBM builds super-fridge for quantum computers, 08 September 2022
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